超声诊断仪基本原理和结构

江西中医学院计算机学院08生物医学工程2班黄月丹学号200801015047
超声诊断仪原理及其基本结构
超声成像检查技术是指运用超声波的物理特性，通过高科技电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析处理和显像，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态作出判断的一种非创性检查技术。

超声诊断技术的发展历程
20世纪50年代建立，70年代广泛发展应用的超声诊断技术，总的发展趋势是从静态向动态图像(快速成像)发展，从黑白向彩色图像过渡，从二维图像向三维图像迈进，从反射法向透射法探索，以求得到专一性、特异性的超声信号，达到定量化、特异性诊断的目的。

80年代介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用扩大了诊断范围，也提高了诊断水平，90年代的血管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。

二．超声诊断仪的种类
(一) A型这是一种幅度调制超声诊断仪，把接收到的回声以波的振幅显示，振幅的高低代表回声的强弱，以波型形式出现，称为回声图，现已被B型超声取代，仅在眼科生物测量方面尚在应用，其优点是测量距离的精度高。

(二) B型这是辉度调制型超声诊断仪，把接收到的回声，以光点显示，光点的灰度等级代表回声的强弱。

通过扫
描电路，最后显示为断层图像，称为声像图。

B型超声诊断仪由于探头和扫描电路的不同，显示的声像图有矩形、梯形和扇形。

矩形声像图和梯形声像图用线阵探头实现，适用于浅表器官的诊断；扇形声像图用的探头有多种，机械扇扫探头、相控阵探头和凸阵探头均显示扇形声像图。

前二种探头可由小的声窗窥见较宽的深部视野，适用于心脏诊断；后一种探头浅表与深部显示均宽广，适用于腹部诊断，有一种曲率半径小的凸阵探头，也可用小的声窗，窥见深部较宽的视野。

(三) M型 M型超声诊断仪是B型的一种变化，介于A型和B型之间，得到的是一维信息。

在辉度调制的基础上，加上一个慢扫描电路，使辉度调制的一维回声信号，得到时间上的展开，形成曲线。

用以观察心脏瓣膜活动等，现在M型超声已成为B型超声诊断仪中的一个功能部分不作为单独的仪器出售。

(四) D型在二维图像上某点取样，获得多普勒频谱加以分析，获得血流动力学的信息，对心血管的诊断极为有用，所用探头与B型合用，只有连续波多普勒，需要用专用的探头。

超声诊断仪兼有B型功能和D型功能者称双功超声诊断仪。

(五) 彩色多普勒超声诊断仪具有彩色血流图功能，并覆盖在二维声像图上，可显示脏器和器官内血管的分布、走向，并借此能方便地采样，获得多普勒频谱，测得血流的多项重要的血流动力学参数，供诊断之用。

彩色多普勒超声诊断仪一般均兼有B型、M型、D型和彩色血流图功能。

(六) 三维超声诊断仪三维超声是建立在二维基础上，在彩色多普勒超声诊断仪的基础上，配上数据采集装置，再加上三维重建软件，该仪器即有三维显示功能。

(七) C型C型超声仪也是辉度调制型的一种，与B型不同的是其显示层面与探测面呈同等深度。

超声诊断仪基本原理
声波能够在听觉器官引起声音感觉的波动称为声波。

人类能够感觉的声波频率范围约在20-20000HZ。

频率超过20000HZ，人的感觉器官感觉不到的声波，叫做超声波。

声波的基本物理性质如下：(一)声波的频率、周期和速度声源振动产生声波，声波有纵波、横波和表面波三种形式。

而纵波是一种疏密波，就像一根弹簧上产生的波。

用于人体诊断的超声波是声源振动在弹性介质中产生的纵波。

声波在介质中传播，介质中质点在平衡位置来回振动一次，就完成一次全振动，一次全振动所需要的时间称振动周期(T)。

在单位时间内全振动的次数称为频率(f)，频率的单位是赫兹(HZ)。

f=1/T，声波在介质中以一定速度传播，质点振动一周，波动就前进一个波长(λ)。

波速(C)=λ/T或C=f?λ。

(二)声阻抗声波在媒介中传播，其传播速度与媒质密度有关。

在密度较大介质中的声速比密度较小介质中的声速要快。

在弹性较大的介质中声速比弹性较小的介质中要快。

这就引出了声阻抗的定义，声阻抗为介质密度(ρ)和声速(C)的乘积。

超声波超声波就是频率大于20KHZ，人耳感觉不到的声波，它也是纵波，可以在固体、液体和气体中传播，并且具有与声波相同的物理性质。

但是由于超声波频率高，波长短，还具有一些自身的特性。

(一)束射性超声波具有束射性即可集中向一个方向传播，有较强的方向性，由换能器发出的超声波呈窄束的圆柱形分布，故称超声束。

(二)反射和折射当一束超声波入射到比自身波长大很多倍的两种介质的交界面上时，就会发生反射和折射。

反射遵循反射定律，折射遵循折射定律。

由于入射角等于反射角，因此超声波探查疾病时要求声束尽量与组织界面垂直。

超声波的反射还与界面两边的声阻抗有关，两介质声阻抗差越大，入射超声束反射越强。

声阻抗差
越小反射越弱。

穿过大界面的透射声，可能沿入射声束的方向继续进行，亦可能偏离入射声束的方向而传播，后一种现象称超声折射，是由于两种介质内声速的不同所致。

(三)散射与衍射
超声波在介质内传播过程中，如果所遇到的物体界面直径大于超声波的波长则发生反射，如果直径小于波长，超声波的传播方向将发生偏离，在绕过物体以后又以原来的方向传播，此时反射回波很少，这种现象叫衍射。

因此波长越短超声波的分辨力越好。

如果物体直径大大小于超声波长的微粒，在通过这种微粒时大部分超声波继续向前传播，小部分超声波能量被微粒向四面八方辐射，这种现象称为散射。

(四)超声波的衰减超声波在介质中传播时，入射超声能量会随着传播距离的增加而逐渐减小，这种现象称作超声波的衰减。

衰减有以下两个原因：(1)超声波在介质中传播时，声能转变成热能，这叫吸收；(2)介质对超声波的反射、散射使得入射超声波的能量向其他方向转移，而返回的超声波能量越来越小。

多普勒超声
基本原理多普勒效应多普勒效应是奥地利物理学家克里斯汀?约翰?多普勒于1842年首次提出来的。

描述了光源与接收器之间相对运动时，光波频率升高或降低的现象。

这种相对运动引起的接收频率与发射频率之间的差别称为多普勒频移或多普勒效应。

声波同样具有多普勒效应的特点，多普勒超声最适合对运动流体做检测，所以多普勒超声对心脏及大血管血流的检测尤为重要。

多普勒超声心动图的基本方式 1 脉冲式多普勒2 连续式多普勒 3 彩色多普勒血流显像。

基本结构
由于b超是超声成像仪器中最重要的，所以下面简述b超的基本结构。

B型线性超声诊断仪主要由探头、发射／接收单元、数字扫描转换器、显示照像记录系统、面板控制系统、键盘和电源装置等组成。

一、探头
是由多晶片（阵元）排列构成的长条状探头。

探头一般宽度为
1cm、长度为10～15cm，探头中的晶片个数一般在64—128只范围内；晶片的尺寸随使用的超声频率不同而不同；晶片之间不但有良好的电绝缘，同时尽可能作到完全的声隔离。

为此在制造工艺上一般采用光刻的方法，在一个大晶片上刻制成相互分离的多个晶片。

晶片后面附以吸声材料，用以吸收反向辐射的能量；晶片的前面（接触人体部分）用透声材料做成声透镜，在长条状探头的短轴方向形成声聚焦。

每个阵元都是独立的，在长条状探头的长轴方向，用电子延迟线技术形成电子聚焦和多点聚焦，从而提高B型线性超声诊断仪的空间分辨率。

二、发射／接收单元
通过探头发送和接收超声波信号，并对发射和接收的超声波信号实施电子聚焦和多点聚焦的控制；同时对探头中的多个晶体实施电子开关控制，从而实现超声束的扫描。

从探头接收的超声回波信号在该单元中进行放大、检波和各种预处理，然后送到数字扫描转换器。

三、数字扫描转换器把从发射／接收单元进入的超声回波信号首先进行A/D转换（即模拟／数字转换）变成数字信号，并予以存贮和完成各项后处理的功能，所有将要显示的信号，都在转换器中完成D/A转换，最后混合变为合成的视频信号送入监视、照像、记录系统。

四、监视、照相、记录系统
是操作人员用来观察超声断层图像和各种相关信息，并对有价值的图像进行拍照和记录的系统。

监视和照像分别使用两个略有不同的TV监视器，照像部分一般配备通用135相机或一次性的波拉相机，记录部分使用特殊功能的纸记录装置或彩色视频打印机。

五、面板控制单元
对仪器面板上的各种旋钮、开关、操作杆等的状态实施编码，并将编码信号送至发射／接收单元和数字扫描转换器，其中包括进出深度增益控制信号（或称距离时间控制）到发射／接收单元以控制放大器的放大倍数，从而补偿超声能量在传播过程中随距离的衰减。

六、电源部分提供直流电压供各单元使用。

发展方向
随着计算机技术的发展,灰阶成像的基本功能和多普勒将会发挥更大的作用。

通过对组织间复杂声波的探测,使超声检查具有其他技术无法代替的发展潜力。

未来超声有望在以下方面获得发展:①提高检测信号:超声对比剂能增加体内的声波强度,改善超声成像。

手术中或内镜中的应用术中超声为制定手术决策提供一种精确的工具。

而内镜超声是一种正在兴起的技术,可以用于发现各期胃肠道肿瘤、指导活检和介入治疗。

小型灵巧化的设计使超声仪器更易操作而作为常规诊治手段。

未来设计将借助这些微型探针获取更好的成像效果。

②改进图像显示:三维超声是一项新技术,可观察解剖和病理情况,增加医生对病人解剖学的理解。

计算机技术的发展使容积数据的获取、分析
和显示在数秒钟内完成,为快速诊断和治疗提供机会。

③新方法:双折射成像双折射成像反向散射波幅的双折射是超声的一种特性。

用这种特性能识别的组织有肾脏皮质、心肌、脑室周围区域以及大部分肌肉和肌腱。

灌注成像灌注成像血管成像的最终目标是血流灌注。

气泡超声对比剂的特殊优点是总在血管内,能利用谐波成像排除组织活动的伪影。

复合记录序列复合记录成像从不同时间检查获取的复合记录超声数据,能更连续和敏感地发现组织改变,提高检查和成像质量。

这能为治疗开辟新的扫描和评价可疑区域或肿块生长的能力。

和弹性摄影；④设备:缩微成像、电声摄影；⑤治疗和介入:高强聚焦(集束)超声治疗、导引和基因治疗；⑥应用:腔内手术和内镜检查。